Langsame Elektronen für effizientere Reaktionen

Eigentlich wollte das internationale Team von Forschenden ein r?tselhaftes chemisches Objekt nachweisen: ein sich in L?sung befindliches Dielektron. Dieses besteht aus zwei Elektronen. Im Gegensatz zu einem Atom besitzt es keinen Kern. Bisher konnten Wissenschaftler:innen solche Objekte nicht direkt nachweisen. W?hrend die Forschenden unter der Leitung von ETH-Professorin Ruth Signorell solche Dielektronen untersuchten, entdeckten sie zuf?llig einen neuen Prozess, mit dem sich langsam bewegende Elektronen herstellen lassen. Damit lassen sich bestimmte chemische Reaktionen in Gang bringen.

Dielektronen sind nicht stabil. Sie zerfallen in weniger als einer billionstel Sekunde wieder in zwei Elektronen. Wie die Forschenden zeigen konnten, bleibt eines davon an Ort und Stelle, w?hrend sich das andere mit geringer Energie, also verh?ltnism?ssig langsam, entfernt. Speziell an der neuen Methode ist, dass die Wissenschaftler:innen die Bewegungsenergie dieses Elektrons und somit seine Geschwindigkeit steuern k?nnen.

Dielektron besetzt Hohlraum

Doch der Reihe nach: Um die Dielektronen zu bilden, l?sen die Forschenden Natrium in (fl¨¹ssigem) Ammoniak und bestrahlen es mit UV-Licht. Die Bestrahlung f¨¹hrt dazu, dass sich ein Elektron von einem Ammoniak-Molek¨¹l zu einem Elektron eines Natrium-Atoms gesellt und damit ein Dielektron bildet. Dieses besetzt kurzfristig einen winzigen Hohlraum in der Fl¨¹ssigkeit. Nach dem Zerfall bewegt sich eines der Elektronen mit einer Geschwindigkeit, die von der Wellenl?nge des zuvor benutzten UV-Lichts abh?ngt, wie die Forschenden zeigen konnten. ?Die Energie der UV-Strahlung ist teilweise auf das Elektron ¨¹bergegangen?, sagt Signorell.

Die Wissenschaftler:innen der ETH Z¨¹rich f¨¹hrten diese Arbeit zusammen mit Forschenden der Universit?t Freiburg im Breisgau, des Soleil-Synchrotrons in der N?he von Paris und der Universit?t Auburn in den USA durch.

Strahlensch?den untersuchen

Interessant sind solche Elektronen mit niedriger Bewegungsenergie aus mehreren Gr¨¹nden: Einer davon ist, dass langsame Elektronen Strahlensch?den in menschlichem Gewebe verursachen. Bewegliche Elektronen k?nnen im Gewebe zum Beispiel aufgrund von R?ntgenstrahlung oder radioaktiver Strahlung entstehen. Sie k?nnen sich dann auch an DNA-Molek¨¹le anlagern und dort chemische Reaktionen ausl?sen. Wenn sich solche langsamen Elektronen im Labor leichter erzeugen lassen, lassen sich die Mechanismen, die zu Strahlensch?den f¨¹hren, besser untersuchen.

Doch nicht nur im K?per, sondern ganz generell werden viele chemische Reaktionen dadurch in Gang gebracht, dass eine Verbindung ein freies Elektron aufnimmt. Ein Beispiel daf¨¹r ist die synthetische Herstellung von Cortison und anderen Steroiden.

Wenn es nun m?glich ist, mit UV-Licht relativ einfach langsame Elektronen direkt in einer Fl¨¹ssigkeit herzustellen und zudem die Energie der Elektronen einzustellen, dann lassen sich solche Reaktionen k¨¹nftig besser untersuchen. Und sie lassen sich vielleicht auch optimieren, indem Chemiker:innen den Elektronen zum Beispiel mit UV-Licht etwas mehr Bewegungsenergie mitgeben.